让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅里叶 :法国数学家、物理学家

更新时间:2022-10-29 23:38

让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅里叶(外文名:Joseph Fourier,以下简称:傅里叶)法国数学家、物理学家,1768年3月21日出生于法国中部的欧塞尔市。提出傅里叶级数,并将其应用于热传导理论与振动理论。他被归功为温室效应的发现者。

傅里叶8岁时,双亲亡故被交给教会抚养,后进入军校读书。1795年任巴黎综合工科大学助教,1798年随拿破仑军队远征埃及,受到拿破仑·波拿巴器重,回国后被任命为格伦诺布尔省省长,由于对热传导理论的贡献于1817年当选为巴黎科学院院士,1822年成为科学院终身秘书,后又任法兰西学院终身秘书和理工科大学校务委员会主席,敕封为男爵。1830年5月16日,在巴黎去世,时年63岁。

让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅里叶主要贡献是在研究《热的传播》和《热的分析理论》,创立一套数学理论,对19世纪的数学和物理学的发展都产生了深远影响。

人物生平

早年经历

1768年3月21日,让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅里叶生于法国奥塞尔小镇。8岁时,傅里叶便双亲亡故,后被交给教会抚养。由于法国处在特殊的历史时期,天主教本笃会把傅里叶送往镇上的军校。在军校读书时,傅里叶表现出对数学的特殊爱好,立志于成为一个在法国的炮兵,却被法国当局拒绝。但幸运的是军校给了他数学教授的职位。

1789年,巴黎出现了小波动,热心的市民攻占了巴士底狱。傅里叶的研究计划中断,他回到母校执教。后积极投身到法国大革命中,因给旁人说情,傅里叶被投入监狱。出狱后,傅里叶曾短暂的到巴黎师范学校学习,他展示出的数学才华给人留下了深刻印象。并因此被招进巴黎理工学院担任助教,帮助加斯帕尔·蒙日约瑟夫·拉格朗日进行数学教学。

工作经历

1795年,巴黎综合理工学院成立(现称:巴黎综合理工学院),傅里叶作为数学家被招进学校。1798年,加斯帕德-蒙日推荐傅里叶与自己一道,和拿破仑·波拿巴麾下的士兵观光团一起远游埃及。一起同行的有一百多名学者,其中包括21位数学家。蒙日在埃及筹建了埃及研究院,并且亲自担任院长,傅里叶则担任埃及研究院秘书并进行外交活动,不久之后还担任——下埃及总督,管理开罗以北的尼罗河三角洲区域。 1801年,傅里叶回到法国。被任命为格勒诺布尔的高级官员。任期间提高民众文化水平,还开拓道路、填平沼池。1808年,傅里叶被拿破仑授予男爵称号。1816年,傅里叶被提名为法国科学院成员。次年,成为科学院成员。1822年,科学院终身秘书的职位。1826年又被选为法兰西学院院士,随即又被伦敦皇家自然知识促进学会选为外国会员,1829年获得彼得堡科学院名誉院士。1830年5月16日,傅里叶在巴黎去世。

个人生活

傅里叶的父亲是镇上的裁缝。

主要贡献

1822年傅里叶完成了《热的解析理论》,从而解决了热在非均匀加热的固体中分布传播问题,成为分析学在物理学中应用的最早例证之一。傅里叶级数由此诞生,傅里叶级数可以理解为一种信号分解技术,它将目标信号分解成不同频率的子信号从而减小信号处理的难度并完成信号的处理工作,在物理学的许多分支中获得广泛应用。

相关理论

傅立叶定律

傅立叶定律传热学中的一个基本定律。文字表述:在导热现象中,单位时间内通过给定截面的热量,正比例于垂直于该界面方向上的温度变化率和截面面积,而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。   

傅里叶定律用热流密度q表示时形式如下:

q=-λ(dt/dx) ,可以用来计算热量的传导量。

相关的公式如下:

Φ=-λA(dt/dx)   

q=-λ(dt/dx)——其中Φ为导热量,单位为W;λ为导热系数,w/(m*k) ;A为传热面积,单位为m^2;t为温度,单位为K;x为在导热面上的坐标,单位为m;q是沿x方向传递的热流密度(严格地说热流密度是向量,所以q应是热流密度矢量在x方向的分量)单位为W/m^2;dt/dx是物体沿x方向的温度梯度,即温度变化率。

一般形式的数学表达式:q=-λgradt=-λ(dt/dx)n  

式中:gradt是空间某点的温度梯度(temperature gradient);n是通过该点的等温线上的法向单位矢量,指温度升高的方向。上述式中负号表示传热方向与温度梯度方向相反,λ表征材料导热性能的物性参数(λ越大,导热性能越好)

以上信息参考资料:

傅立叶变换

傅立叶变换能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数(正弦和/或余弦函数)或者它们的积分的线性组合。在不同的研究领域,傅立叶变换具有多种不同的变体形式,如连续傅立叶变换和离散傅立叶变换。最初傅立叶分析是作为热过程的解析分析的工具被提出的。

定义:f(t)满足傅立叶积分定理条件时,下图①式的积分运算称为f(t)的傅立叶变换,②式的积分运算叫做F(ω)的傅立叶逆变换。F(ω)叫做f(t)的象函数,f(t)叫做F(ω)的象原函数。

应用:傅立叶变换在物理学、电子类学科、数论、组合数学、信号处理、概率论、统计学、密码学、声学、光学、海洋学、结构动力学等领域都有着广泛的应用(例如在信号处理中,傅立叶变换的典型用途是将信号分解成幅值分量和频率分量)。

傅立叶级数

傅立叶级数是一种特殊的三角级数。法国数学家傅立叶在研究偏微分方程的边值问题时提出。从而极大地推动了偏微分方程理论的发展。在中国,程民德最早系统研究多元三角级数与多元傅立叶级数。他首先证明多元三角级数球形和的唯一性定理,并揭示了多元傅立叶级数的里斯博赫纳球形平均的许多特性。傅立叶级数曾极大地推动了偏微分方程理论的发展。在数学物理以及工程中都具有重要的应用。

傅立叶级数的公式给定一个周期为T的函数x(t),那么它可以表示为级数:   

\u003cmath\u003ex(t)=\sum _{k=-\infty}^{+\infty}a_k\cdot e^{jk(\frac{2\pi}{T})t}\u003c/math\u003e(j为虚数单位)(1)   

其中,\u003cmath\u003ea_k\u003c/math\u003e可以按下式计算:\u003cmath\u003ea_k=\frac{1}{T}\int_{T}x(t)\cdot e^{-jk(\frac{2\pi}{T})t}\u003c/math\u003e(2)   

注意到\u003cmath\u003ef_k(t)=e^{jk(\frac{2\pi}{T})t}\u003c/math\u003e是周期为T的函数,故k 取不同值时的周期信号具有谐波关系(即它们都具有一个共同周期T)。k=0时,(1)式中对应的这一项称为直流分量,\u003cmath\u003ek=\pm 1\u003c/math\u003e时具有基波频率\u003cmath\u003e\omega_0=\frac{2\pi}{T}\u003c/math\u003e,称为一次谐波或基波,类似的有二次谐波,三次谐波等等。

热的解析理论

热的解析理论》主要研究各种类型的物体中的热传导问题,其基本思想是物理问题数学化,书中的原创思想“傅里叶级数”“傅里叶变换”成为了理解现实世界的工具。傅里叶在书中提出,任何“函数”都可用“正弦函数”和“余弦函数”叠加构成的“级数”来表示,通过傅里叶变换能够对“数”和“图”进行转换。

相关著作

所获荣誉

参考资料:

人物纪念

小行星10101号命名为傅立叶,他也是名字被刻在埃菲尔铁塔的七十二位法国科学家与工程师的其中一位。

2024年3月23日,在2024年世界气象日当日,中国气象发布气象日特别策划《谁是第一个发现全球变暖的人?》科普视频,其中认为1820年,傅里叶虽然没有得出明确结论,但发现地球比预期温暖。国际科学界也将1820年认为是对气候变化研究的缘起之年。

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